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我国人工砂的发展与问题探讨

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-11-24  浏览次数:564
摘要:人工砂是一种新型建设用砂。本文综述了我国人工砂发展的由来,介绍了人工砂的定义、表征、优势与特点,认为不能把人工砂仅作为天然砂的替代品来简单认识和使用,在应用中要重视对其标准指标的严格控制,正确认识和使用石粉。强调了骨料在混凝土中的作用,总结了用人工砂配制混凝土的普遍规律和结果。说明了正确使用人工砂的混凝土有利于骨料与水泥、骨料之间的结合、孔隙率小,做到密实度大、强度高、抗渗、抗冻性能好。指出了人工砂混凝土在施工中要注意的主要问题,提出了目前人工砂生产存在的主要问题和解决对策。认为资源问题、提高对人工砂认识、加强市场建设和管理是发展人工砂的关键。
 
一、人工砂的发展由来
 
与其它用于结构的建筑材料相比,混凝土是相对耗能最低的材料,在基本建设中应用最为广泛。占混凝土质量的6/7左右砂、石是混凝土的骨架。是消耗自然资源最大的材料,据估算,现全国每年建筑骨料用量约为70多亿吨。由于天然砂石是一种地方性材料,受资源和运输的限制。从20世纪60年代起,水电系统的土木建设工程就开始就地取材,进行机制砂石的生产和应用的研究,并开始在工程上使用。在建筑上开始应用较早的是贵州省,并于1978年制定了我国第一个山砂(人工砂)的地方标准,以后,云南、河南也相继出台了人工砂地方标准或使用规程。我国的香港也是使用人工砂较早的地区,其执行的英国标准BS882明确人工砂的品种和技术要求至少40年以上。但上述行业和地区只限于局部,在全国建筑业对人工砂了解的极少,还是以天然砂为建设用砂。
随着基本建设的日益发展,在我国不少地区经过几十年的开采,有限的天然砂资源已经用尽,价格不断上涨,影响了工程建设的进展。在经济利益的驱使下,很多地区都出现了乱采乱挖天然砂的情况,在现有的江河开采,改变河道走向、水流、影响河堤安全、破坏鱼类生存环境、影响防洪、污染水质、影响景观。在古干河道开采,破坏农田或植被、破坏铁路、桥梁与电力设施、严重污染空气和环境,同时,天然砂生产方式的落后,造成砂质量混乱与下降,直接影响工程质量。出于对环境和资源的保护,国家和各地政府严格限制或禁止开采天然砂法规和政策的出台,进一步减少了天然砂的来源。
随着混凝土技术的迅速发展,现代混凝土对砂的技术要求则越来越高,特别是高性能混凝土、结构混凝土的耐久性对骨料的要求很严,要求骨料具有稳定的质量,高强度、良好级配和粒型,而能满足其要求的天然砂数量越来越少,甚至没有,严重地制约了高性能混凝土的发展,影响了混凝土的耐久性,进一步造成能源和资源的浪费,寻找新砂石迫在眉睫。
我国有大量的金属矿和非金属矿,在采矿和加工过程中伴随产生约20%—80%的尾矿,有相当尾矿没有合理利用,已约有上百亿吨的尾矿大量堆积,特别是小型矿山,尾矿随意堆放,占用土地,污染环境,埋下隐患,造成重大事故。而如果经过适当分选与加工,不少尾矿就可以制成人工砂石。既解决了污染等问题,又提高了自然资源利用率,形成综合效益,完全符合建设资源节约型、环境友好型社会的科学发展观和可持续发展的国策。
自90年代以来,北京、天津、上海、重庆、广东、福建、浙江、河北、山西、四川、江苏等省市都相继开展了人工砂的使用研究,先后建立了少量的人工砂生产线。为适应新形势的发展,2002年2月1日起实施的国标GB/T14684-2001《建筑用砂》首次增加了人工砂种类,确定了人工砂为新的砂源,明确提出我国的人工砂不能只限定于国外单纯用矿山原料加工的机制砂,同时要发展用尾矿加工制成的人工砂;另外,增加了我国人工砂中的混合砂品种,鼓励在挖掘天然河砂的同时,把原来丢弃的大小卵石加工成机制砂,或利用其它尾矿机制砂与天然砂混合制成人工砂,达到充分利用资源,降低生产成本,减少环境破坏的目的。同时,提出了适应资源复杂化后的人工砂质量要求和新的试验方法,为全国人工砂的发展打开了技术通道和基础。
 
二、人工砂的特性
 
因在大多数情况下混凝土对骨料本身岩石的矿物类型没有特殊的要求,不按其矿物成分分类。只需要具有足够高的硬度和强度、良好的级配和粒形,不含有害杂质、粘土和有机物等杂质,化学稳定性好,用于民用建筑还要具备低的放射性。故国标GB/T14684-2001中把人工砂定义为经除土处理的机制砂、混合砂的统称。实际从广义上讲,其它行业用的烧结砂等都为人工砂,只不过因历史形成等的关系,在建设行业人工砂即为建筑用砂。
机制砂:由机械破碎、筛分制成的,粒径小于4.75 mm的岩石颗粒,但不包括软质岩、风化岩石的颗粒。
混合砂:由机制砂和天然砂混合制成的砂。混合砂没有混合比例限制(根据砂源情况和使用需要具体配制),但必须执行人工砂的技术要求和试验方法。
用卵石制成人工砂外观与天然砂区别不大,特别是混合砂,用户很难区别,推广较容易。用岩石或尾矿生产的机制砂从颜色到组成与天然砂区很大,尤其干法生产人工砂的显得石粉很多,只要石粉含量的达10%左右时,看上去就像都是石头粉(或土)一样,使人心产疑虑,不敢使用。
目前,国内人工砂生产主要有两种形式,一种是专门生产的机制砂,其级配、细度模数均可做到优于天然砂,粒型也可与天然砂相似。再一种是利用各种尾矿附带生产或产生的,这是目前人工砂的主体。其中,多数是生产碎石后的石屑经过简单加工和筛分或直接利用。由于其母岩矿物和材质不同、加工机械与工艺不同、它的颗粒级配、粒形、石粉含量及质量差别很大。颗粒级配多为两头大中间小,粒型呈三角体或方矩体,表面粗糙,棱角尖锐,有的片状颗粒较多,细度模数在2.6-4.0之间,大多偏粗,含有5%-18%的石粉。其次就是铁矿尾矿砂加工的人工砂,与石屑的主要区别是细度模数在0.8-2.5之间,多数偏细,含2%-5%的石粉,级配、粒型稍好。机制砂生产过程又分为干法、半干法和湿法。
人工砂的母岩,除了石灰岩为主要料源外,花岗岩、砂岩、石英岩、流纹岩、玄武岩、闪长岩、片麻岩、辉绿岩、凝灰岩等多种岩石都可以使用。
由于人工砂原料、生产方式和过程的不同,就不能把人工砂仅作为天然砂的替代品来简单认识和使用。
与天然砂相比,人工砂有四大优势。
资源优势:可利用各种废弃资源,符合科学发展观和节约、循环型经济。
管理优势:有稳定的法人主体,实行生产许可,有固定的经营场所。
质量优势:料源固定、稳定,机械化的生产方式,保证了产品的质量稳定、可调、可控。
品质优势:有较高的表面能和亲水性;有完整的级配,尤其有小于75祄石粉的微级配;有多种的矿物成分可选择;颗粒级配稳定、可调整;粒形可改善。
人工砂的特点是,多棱角立方体,含有一定量的石粉,表面粗糙,比表面积大,(即便是粒型较好的人工砂颗粒,其表面积仍比天然砂要大很多),各产品的各项指标之间的差别大。
 
三、人工砂的应用与需要注意的问题
 
国标实施后,人工砂在全国得到迅速发展。北京、上海、重庆、天津都以国标为依据,制定了人工砂的地方标准。河南和贵州修订了人工砂的地方标准。建筑、交通等行业标准中增加和修订了人工砂的内容。北京每年约3000万吨的建筑用砂绝大部分为人工砂。首钢迁安矿业公司、安钢舞阳矿业公司等诸多铁矿用尾矿生产人工砂产量已达上千万吨。
在已有的工程实践中,用人工砂已配制出了从C10-C70的普通混凝土和泵送混凝土,泵送最大高度达400m;配制出跨度达64m的予应力混凝土粱。在试验室设计强度C100的人工砂混凝土90天实际强度达到155Mpa。人工砂已广泛应用在混凝土结构、砂浆和制品中。
目前在建设业,人工砂主要用于配制混凝土,并以预拌混凝土为主。由于人工砂有自身有很强的特点,在应用时就要扬长避短,根据人工砂的特性使用。除了要发挥人工砂的各项优势外,在具体技术层面,要注意以下几个问题。
 
1 认真执行人工砂标准的各项技术要求。
 
天然砂因自然力形成,其产生过程和开采工艺基本一致,导致天然砂的粒型基本为球体、表面光滑、比表面积小,成分多为硅质、坚固性基本合格、级配中都缺少微细级配部分,不同仅为粗级配、细度与杂质。由于级配无法人为控制,又受成本和资源的限制,天然砂除含泥量、氯离子含量等有害物质控制较严外,它的使用和在标准上的要求都相对简单和粗放,但在使用中也不会产生很大的问题。
人工砂因所用原材料的成分与石质、生产设备、工艺等因素,会在粒型、级配、坚固性、石粉含量等方面都有很大的差别,如果也简单和凑合使用就会产生的明显不同。例如,人工砂配制混凝土一般需水量增大,和易性差,解决的办法就是要保证其基本的粒型、合适的级配与适量的石粉。如何保证,国标中在人工砂的技术要求中做出了明确规定。比如,人工砂用压碎指标来控制软质岩、风化岩和针片状颗粒含量、规定级配不合格的人工砂不允许使用、允许使用一定量的石粉等。目前,利用石屑制成的人工砂很多,用一些级配或粒型不合格的石屑使用结果是和易性很差,强度也不高,由此就认为人工砂不行或比不上天然砂,这是一种误解。人工砂与天然砂本质的区别就在于其多项指标都是要控和可控的,达不到人工砂技术要求的,不能迁就使用,否则,就很难保证使用效果。
 
2 正确认识和使用石粉
 
这里所称的石粉是:加工前经除土处理,加工后形成粒径小于75μm,其矿物组成和化学成分与被加工母岩相同的物质。石粉在人工砂的生产中是不可避免的,适量的使用也是对人工砂的作用有益的。虽同是小于75μm的颗粒,但石粉与天然砂中的泥成分不同、粒径分布不同、形态不同、在混凝土中所起的作用亦不同。作者进行的同条件试验证明,石粉取代10%粉煤灰的混凝土和易性和强度都不降反升。所作的另一对比试验表明,随着石粉含量的增加,混凝土的和易性逐步改善,强度逐步提高。在人工砂中保留9%-14% 的石粉,最适宜改善混凝土的和易性、提高强度,28d抗压强度比未掺石粉的混凝土分别提高达 44%和65%,还有人研究过,在一定限量下,石粉含量越高,混凝土强度越高, 抗冻、抗渗性越好;而混凝土的收缩变形、碳化和钢筋锈蚀性能与普通混凝土相当[1]。具体使用石粉的比例依人工砂的材质和生产工艺不同有变化,需试验确定。
从工程实践结果看,石粉含量控制在8%-10%时,对各种强度要求的混凝土都能起好的作用,不是混凝土强度等级高就必须减少石粉用量,对水泥含量低的普通混凝土,石粉含量可以用到15%或更多些,关键在于控制好亚甲兰MB值,使用亚甲蓝MB值小于0.5的石粉,效果最好[2]。作者曾经验证,亚甲蓝MB值与粘土含量的回归相关系数高达0.997,可以清楚地区分人工砂中小于75μm的颗粒是石粉还是粘土。
当前不少用户单位还不了解和重视的亚甲蓝MB值试验和控制,也有的单位局限于GB/T14684《建筑用砂》标准中3%、5%、7%石粉含量指标限制,没有注意到标准在石粉含量指标上特别的加注,即允许根据使用地区和用途,在试验验证的基础上,可由供需双方协商确定人工砂的石粉含量控制指标。还有有些人工砂生产企业为了使人工砂的外观好看或迎合用户认识水平先行洗去石粉。这为都给人工砂石粉的利用带来了不利的影响。作者对洗走的石粉进行了分析,洗走的并非只是75μm以下的颗粒,同时,还洗走了包括150μm,300μm,甚至是600μm的颗粒,不仅使用效果不好,还带来新的污染和资源的浪费。
研究结果表明,石粉完整的微级配、粗糙的表面、较高的表面能和亲水性在混凝土的界面起到很好的填充效应、晶核效应、活性效应、保水效应和润滑效应。它使浆体密实,孔隙率减小;使水化物结晶颗粒尺寸变小,取向程度下降;降低了骨料周围浆体的实际水灰比;改善了混凝土的和易性。
 
3 人工砂混凝土的配制
 
由于传统的观念,人们对砂石的认识普遍存在着偏差,认为砂石在混凝土中仅起填充作用,质量无足轻重,只要多加水泥就行。同时,由于过去天然砂石资源的限制,即使认识到骨料的重要性,也改变不了其现状,只能采取顺其自然的态度,对砂石不能提出太高的要求,久而久之,砂石的质量得不到应有的重视和控制。明明是重要的产品,生产、使用单位和管理部门却都不把其作为产品来对待,甚至有些管理和技术人员,也认为砂石无技术研究价值,对砂石的认识还停留在农民挖砂的阶段。
事实上,砂石骨料在混凝土的作用非常重要,其起着骨架作用,传递应力,即使沒有水泥漿,骨料亦可支撐載重,同时,抑制收缩,防止开裂。九十年代以後,混凝土的发展趋势是发展高性能混凝土(HPC),骨料已漸被當作主要架構材料,而水泥用量则越少越好。而HPC的发展必须有高质量的砂石骨料。如果骨料品质低劣与离散性大的现状得不到改善,HPC就不可能实施[3]。因此,砂石骨料的颗粒级配、粒型、表面特征、针片状颗粒含量、空隙率、石粉等过去不被重视或无法控制的性能必须和只能在人工砂石上得到解决。但不少人由于没有抓住人工砂的特点,就未能感到人工砂的优点。
人工砂与各项指标基本相同的天然砂进行同条件、同W/C、同其它材料及掺量的对比试验表明,用人工砂配置出混凝土的共同特点是:塌落度减小、流动度变差、但混凝土28d强度提高;如欲保持塌落度、流动度不变,则需水量需增加和易发生泌水,特别在水泥用量少的低强度等级混凝土中表现明显。如果根据人工砂的特点进行混凝土配比设计,通过合理利用人工砂中的石粉、调整人工砂的砂率,用水量不用增加很多,可以配制出和易性很好的混凝土。最适合配制混凝土的人工砂细度模数为2.6-3.0,级配为2区。通过正交设计试验对砂率、石粉、粉煤灰在人工砂混凝土中的影响分析,砂率对混凝土的强度和和易性影响最大,其次是粉煤灰掺量,石粉相对最小。
《普通混凝土配合比设计规程》JGJ 55-2000基本适用人工砂混凝土配比设计,但根据Bolomey公式确定的W/C偏小,所选用水量不足,在正确使用合格人工砂的前提下,增加用水量不用相应增加水泥,在原计算W/C基础上加上0.05、甚至0.10,混凝土28d实测强度并不降低,耐久性也能得到保证。
人工砂在配制填加外加剂的混凝土时,由于其较高的表面能,对外加剂的反应比天然砂敏感,更需要表面活性剂来改善人工砂的和易性。
人工砂配制的泵送混凝土在泵送过程中并不易堵泵,特别是富混凝土,由于人工砂的透水性好,含泥量少,混凝土浆稠而不粘,但用后要及时清洗泵管和泵车。
用最大密实度方法来设计人工砂混凝土的粉煤灰、砂、石比例可以获得比较理想的效果,方法简单、规律好、更贴近实际试配结果。
由于配制好的人工砂混凝土基本不泌水,在施工时,要特别注意人工砂混凝土的早期养护,养护要提到初凝之前,最好用覆盖塑料薄膜的办法,以避免因水分蒸发速度大于泌水速度和温差而引起的裂缝, 尤其是浇筑大面积的顶板时个更要重视。
普通混凝土的劣化或破坏往往出现在界面处。在混凝土承受荷载作用以前,界面处就充满微裂缝;受到荷载作用以后,随着应力的增长,这些微裂缝的开展,最终将导致水泥石的断裂。人工砂是吸水性的骨料,可以降低骨料周围浆体的水灰比,并因此而减少界面的不利因素。其他条件相同时,单个骨料和浆体界面过渡层的厚度随骨料表面积的大小的不同而变化,人工砂合理的级配和石粉中的微级配减小了界面层的厚度,降低了过渡层中的孔隙率,其粗糙的表面可降低Ca(OH)2取向的程度,使其结晶颗粒变小,改善了界面过渡层的性质。
正确使用人工砂的混凝土有利于骨料与水泥、骨料之间的结合,有利于减少孔隙率,做到密实度大、抗渗、抗冻性能好,还可以降低水泥用量,降低生产成本。人工砂特别适于配制高强度等级混凝土和高性能混凝土。
 
四、人工砂的生产存在的问题
 
目前,混合砂中存在的主要问题是有的企业用很粗的石屑加特细的天然砂当人工砂销售,这样的人工砂,不但没有人工砂的优势,相反,都是人工砂的不足,严重地影响了人工砂的推广使用。国标规定,颗粒级配不合格的人工砂不允许使用,其目的就是为了防止类似的混合砂滥竽充数。
机制砂目前存在的主要问题①是粒型不好,针片状过多,这里有岩石材质的问题,但也与设备选型有关,如用锷式破碎机的产品粒型就差,而选用专门的制砂机,此问题基本可以解决。②不注重级配,细度模数偏大。由于一些生产企业自己连级配、细度摸数等的基本概念和作用都不懂,相当数量的人工砂企业为减少机械磨损,降低生产成本,生产的机制砂细度模数多为3.0以上,出厂不检验,甚至连必要的试验设备也没有。因此,提高人工砂生产企业素质,严格生产准入制度非常必要。③是洗走石粉的问题。泥粉对混凝土是有害的,必须严格控制其含量,人工砂生产同样要注意除去山皮土和夹层土。但除土工序一定要放在原料处理前,不能放在最后,这样,即避免了泥土的掺人,又为石粉的保留和合理的级配创造了条件。④用风化的山砂经水洗或简单加工作为人工砂。这种砂表面看上去粒型好,级配合格,细度模数也在中粗砂范围。但实际上,其抗压强度很低,严重的用手可以捻出碎粉,不仅配制混凝土不行,制成砂浆也不耐磨。控制办法就是检测其压碎指标,压碎指标不合格的不能使用。⑤注意环境保护。当前,在河道里生产人工砂存在着乱采乱挖、大直径卵石不利用;矿山生产人工砂存在破坏式开采和产后无治理等问题,严重破坏河道、山体与景观。其次是扬尘的问题,多数企业生产设备为开放式和没有吸尘装置,污染大气,长久下去一定会被关停。
目前,国内已建有从企业设计规划一开始就重视环保、产品质量和用户需求的现代化人工砂生产企业。

五、人工砂发展中的其它问题
 
如同其它新事物一样,人工砂目前的发展极不平衡,仍有很大的阻力,根本的原因还是资源原因。北京早在1996年,就在近万平方米的住宅工程、工业建筑和道桥等工程上上应用了人工砂混凝土,不仅在当时取得了良好的经济效益,而且,目前工程质量良好。但由于传统习惯势力的影响,只要有天然砂存在,尽管其质量不好,人们还是习惯用天然砂。直到2003年5月底全部关停了北京市范围内的砂石场,人工砂才得以迅速发展。
全国范围内,建立起正常砂石市场的地区不多。砂石的交易还多处于原始的凭个体信息和关系的状态。一方面市场需求量巨大,一方面又没有畅通的信息渠道和公开、公正、公平的交易平台,只能是谁有实力谁说了算。造成买家找不到好的货源,质量好的砂又发挥不了真正的价值。价格被最简单的生产方式和最低的资源成本所决定,给非法采砂造就了市场,阻碍了人工砂的发展。与天然砂相比,人工砂更容易做到市场化,关键在于政府要给搭建一个信息平台,创造正常市场秩序。
砂石是地域化很强的材料,又是消耗大量自然资源的产品,在建设资源节约型、环境友好型社会和发展循环经济中能发挥重要的作用,但由过去天然砂生产主体分散,涉及到水利、国土、环保、建设、建材和乡镇政府等多个管理部门,未能引起应有的重视和管理。人工砂的发展,应当由当地政府负责做出全面、长远的规划,并与当地的废弃资源利用、环境保护和城乡长期建设结合起来,疏堵结合、产用兼顾,进行统一的管理。目前一些人工砂开采破坏环境、不重视质量的短期行为与政府政策的不明确性有一定的关系,很多企业并非不想作大做强,而是怕政策一旦变化,投入无法收回。
政府还应通过必要的手段解决砂石产品统计渠道不通的问题,保证信息流畅与准确。质检部门亦应按产品质量法的规定介入人工砂市场,按工业产品的要求加强对人工砂产品的检验,保证和提高人工砂的质量。
只有解决了上述的问题,人工砂才能得到迅速、健康的发展,为促进建设、保证工程质量、保护环境和资源做出贡献。 

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